6. Организация ввода/вывода

6.1. Системные и локальные шины

В вычислительной системе, состоящей из множества подсистем, необходим механизм для их взаимодействия. Эти подсистемы должны быстро и эффективно обмениваться данными. Процессор, с одной стороны, должен быть связан с памятью, с другой стороны, с устройствами ввода/вывода. Механизмом взаимодействия является центральная шина, к которой подсоединяются все подсистемы. Подобная организация имеет два основных преимущества: низкая стоимость и универсальность.

Недостатком организации с единственной шиной является то, что шина ограничивает пропускную способность ввода/вывода.

Максимальная скорость шины ограничивается ее длиной и количеством подсоединяемых устройств.

Традиционно шины делятся на шины, обеспечивающие организацию связи процессора с памятью, и шины ввода/вывода. Шины ввода/вывода имеют большую протяженность, поддерживают соединение многих типов устройств, и обычно следуют одному из шинных стандартов. Шины процессор-память сравнительно короткие, высокоскоростные и стремятся обеспечить максимальную пропускную способность канала память-процессор.

Некоторые компьютеры имеют единственную шину для памяти и устройств ввода/вывода. Такая шина часто называется системной. Персональные компьютеры, как правило, строятся на основе одной системной шины в стандартах ISA, EISA или MCA.

Локальной шиной называется шина, электрически выходящая непосредственно на контакты микропроцессора. Она обычно объединяет процессор, память, схемы буферизации для системной шины и ее контроллер, а также некоторые вспомогательные схемы. Типичными примерами локальных шин являются VL-Bus и PCI.

Рассмотрим типичную операцию (транзакцию) на шине. Шинная транзакция включает в себя две части: посылку адреса и прием (или посылку) данных. Шинные транзакции обычно определяются характером взаимодействия с памятью: транзакция типа «Чтение» передает данные из памяти (либо в процессор, либо в устройство ввода/вывода) (рис. 6.1), транзакция типа «Запись» записывает данные в память (рис. 6.2.).

В транзакции типа «Чтение» по шине сначала посылается в память адрес вместе с соответствующими сигналами управления, индицирующими чтение. Память отвечает, возвращая на шину данные с соответствующими сигналами управления. Транзакция типа «Запись» требует, чтобы процессор или устройство ввода/вывода послало в память адрес и данные, и не ожидает возврата данных. Обычно ЦП вынужден простаивать во время интервала между посылкой адреса и получением данных при выполнении чтения, но часто он не ожидает завершения операции при записи данных в память.

Рисунок 6.1.

Транзакция типа чтение

Рисунок 6.2.

Транзакция типа запись

Главное устройство шины – это устройство, которое может инициировать операции чтения или записи. Процессор, например, всегда является главным устройством шины. Шина имеет несколько главных устройств, если имеется несколько центральных процессоров или когда устройства ввода/вывода могут инициировать транзакции на шине. Приоритетность управляющих устройств основано на системе прерываний.

Существует два типа шин, отличающиеся способом коммутации: шины с коммутацией цепей и шины с коммутацией пакетов.

Шина с коммутацией пакетов при нескольких главных устройств шины обеспечивает значительно большую пропускную способность, по сравнению с шиной с коммутацией цепей, за счет разделения операций на две логические части: запроса шины и ответа. Операция чтения разбивается на запрос чтения и ответ памяти.

На шине с коммутацией цепей любая операция неделима. Главное устройство блокирует шину до окончания обслуживания запроса.

Шина бывает синхронной и асинхронной. Если шина синхронная, то по линиям управления шины передаются сигналы синхронизации. Все на шине должно происходить с одной и той же частотой синхронизации, поэтому из-за проблемы перекоса синхросигналов, синхронные шины не могут быть длинными. Обычно шины процессор-память синхронные.

В асинхронной шине используется старт-стопный режим передачи. Шины ввода/вывода обычно асинхронные.